第一章工程材料和热处理

XCHL《测控装置结构设计》课件1第一章工程材料和热处理§1.1概述§1.2金属材料的力学性能§1.3常用的工程材料§1.4钢的热处理§1.5表面精饰XCHL《测控装置结构设计》课件2§1.1概述工程材料的分类：•按用途分–结构材料：对力学性能有要求，如耐磨性、硬度–功能材料：对物理性能有要求，如导电性、隔热性等，像电缆、光缆。•按分子结构分–金属材料•黑色金属：主要成份是铁的材料，如各种炭钢、铸铁等。•有色金属：非铁基的材料，如铜、铝及其合金等。–无机非金属材料：如玻璃，水泥，陶瓷等。–有机材料：如塑料、橡胶等。返回本章目录XCHL《测控装置结构设计》课件3§1.2金属材料的力学性能•应力极限•弹性模量E•延展性•冲击韧度ak•弹性能Ee和韧性能Et•硬度返回本章目录XCHL《测控装置结构设计》课件4•应力极限定义：在静拉伸实验中所表现的应力－应变特点。是衡量强度的参数。低碳钢的应力－应变曲线BSPOabfcdehglXCHL《测控装置结构设计》课件5低碳钢在静应力条件下的强度计算参数有下列三种：•比例极限σP：–弹性应变区的最大应力，所谓弹性应变区，即这段区域，施加外力N，材料产生从0～εa的相应变形，此时若去除外力N，则材料的相应应变和应力就沿着ao段回到o点，材料中无残余变形。返回本节目录BSPOabfcdehglXCHL《测控装置结构设计》课件6•屈服极限σS：–从a点开始，外力N再增加，则σ变化很小，而ε则随之增大，这个阶段被称为屈服阶段。在该阶段去除外力N后，材料的相应应变和应力就沿着平行于ao的直线恢复（如b点沿be段回到e点），但ε不能回0，材料中有残余变形。该阶段的最低应力σS被称为屈服极限。–返回本节目录BSPOabfcdehglXCHL《测控装置结构设计》课件7•强度极限σB：–材料断裂前的最大应力。自点开始，若外力N↑，则应力σ↓，应变ε↑↑，材料最终断裂。–返回本节目录BSPOabfcdehglXCHL《测控装置结构设计》课件8•弹性模量E返回本节目录在比例极限范围内，即σσp，应力σ与应变ε成正比，令E=σ/ε，称E为弹性模量。弹性模量的大小反映了材料抵抗变形的能力，时衡量材料刚度的性能指标。•延展性–衡量材料塑性的性能，包括伸长率和断面收缩率。–伸长率δ：试件拉断后，标距内的伸长量与标距原长之比的百分率。–断面收缩率ψ：试件拉断后，断裂处面积的缩小量与原面积之比的百分率。XCHL《测控装置结构设计》课件9•冲击韧度ak衡量材料承受冲击载荷的能力。在有缺口的试件上，缺口底部单位截面积所能承受的冲击功即为冲击韧度。•硬度–材料表面在一个小体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。常见的硬度指标有：–布氏硬度（HBS）–洛氏硬度（HRC）–维氏硬度（HV）XCHL《测控装置结构设计》课件10•弹性能Ee和韧性能Et返回本节目录物体受外力作用产生变形时，外力所做的功在数值上等于应变能。–弹性能Ee：在弹性变形范围内，应变能将以势能的形式储存在材料内部，外力撤去后该能量将立即全部释放。这种应变能称为弹性能。–韧性能Et：当应力超过比例极限，即σσp，材料将产生永久变形，此时应变能的大部分将消耗在材料的塑性变形上，并以热的形式散失。材料在断裂前所能吸收的能量称为韧性能。XCHL《测控装置结构设计》课件11零件的工作能力衡量参数•强度返回4是零件抵抗外载荷作用的能力。强度不足时，零件将产生不可回复的塑性变形甚至断裂，从而失效。–载荷和应力按载荷及其相应应力随时间变化的情况，可分为下列两类：•静载荷和静应力：不随时间变化或变化缓慢，如零件的重力及其相应应力。•变载荷和变应力：随时间作周期性变化。变应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。如轴在不变弯矩作用下等速旋转时，轴的横截面内将产生周期性变化的弯曲应力。XCHL《测控装置结构设计》课件12–零件的整体强度零件整体抵抗载荷作用的能力称为整体强度。•静应力下的强度•变应力下的强度–零件的表面强度返回4•表面接触强度：两个零件靠接触面进行力传递时，在接触区将产生局部应力，称之为接触应力。•表面磨损强度：零件的表面现状和尺寸在摩擦的条件下逐渐改变的过程称为磨损，磨损量超过允许值时零件也会失效。磨损并非全部有害，如跑合、研磨都是有益的磨损。XCHL《测控装置结构设计》课件13•刚度返回6反映零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。其大小用产生单位变形所需的外力或外力矩来表示。–静刚度：由静载荷与变形关系所确定的刚度。–动刚度：由变载荷与变形关系所确定的刚度。金属材料的静刚度与动刚度数值基本相同，非金属材料则常常不同。•振动稳定性在变载荷作用下，零件将产生机械振动，如果零件的固有频率与载荷的频率相同，则产生共振。一般情况下，共振将使零件丧失工作能力而失效。XCHL《测控装置结构设计》课件14§1.3常用的工程材料•黑色金属–钢材的产生–碳钢：主要元素是铁，其次是碳。•低碳钢：C含量0.25%，如20＃•中碳钢：C含量0.25%～0.60%，如45＃,60#•高碳钢：C含量0.60%一般，含碳量增高，钢材的强度和硬度增高，塑性降低。但含碳量超过1%后，钢材硬度继续增强，强度却降低。–合金钢：为改善钢材性能，人为加入一些合金元素,如Mn，Si，P等。•低合金钢：合金元素总含量5%•中合金钢：合金元素总含量5%~10%•高合金钢：合金元素总含量10%后续XCHL《测控装置结构设计》课件15钢材的生产流程返回铁矿石铸铁件铸钢件铸锭锻钢件钢材炼铁炼钢浇注锻压压力加工如板材、型材、管材、线材等去除杂质，如硫、磷、氢等高温熔化，添加铁合金如轧、拉形成钢坯XCHL《测控装置结构设计》课件16–铸钢：性能与锻钢相近，刚度、韧性较之灰铸铁好些，常用于制造承受重载的大型零件。如龙门刨床机座。–灰铸铁：碳元素以自由状态的片状石墨形式存在，有良好的铸造性能，便于制作现状复杂的零件；减震性良好，但脆性很大，不宜承受冲击载荷。抗压强度高于抗拉强度，故常用来制作在受压状态下工作的零件。–球墨铸铁：碳元素以球状石墨形式存在，延展性、耐磨性和抗震性都较好，强度比灰铸铁好，减震性又优于钢，常用于制作需承受冲击载荷的零件。•有色金属有色金属及其合金通常有良好的物理性能，如减磨性、耐热性、导电性等。–铜合金铜材有良好的导电性、导热性、耐蚀性和延展性。铜合金在此基础上，在力学性能和物理性能又有所改善。常见铜合金有如下几种：XCHL《测控装置结构设计》课件17•黄铜：铜锌合金，如H80。可铸可锻，有良好的机械加工性能。•青铜：合金元素为锡、铍、铅、硅等镍锌以外的元素，如QSn7。–锡青铜–铝青铜：强度高，价格便宜，用来制作需承受重载、耐磨零件。–铍青铜：良好的弹性元件材料。•白铜：铜镍合金，如B30。–铝合金：纯铝材密度小，熔点低，有良好的导热性和导电性，塑性好，强度低。加入合金元素后，能大大提高其强度，甚至可超过钢材。是广泛应用的航空航天材料。–钛合金：轻巧耐蚀，高低温性能都不错，在航空、造船、化工等方面得到了广泛应用。因高温时过于活泼，熔炼、浇注、焊接及热处理都需要在真空或惰性气体中进行，故加工成本高，使用受到一定限制。XCHL《测控装置结构设计》课件18•非金属材料–工程塑料以天然树脂或人造树脂为基础，加入填充剂、增塑剂、润滑剂等制成的高分子有机物。密度小，质量轻，耐腐蚀，易加工。可制作现状复杂的零件。•热塑性塑料：如聚酰胺（尼龙）、有机玻璃等。•热固性塑料：如酚醛塑料、氨基塑料等。–橡胶弹性大，绝缘性良好，耐磨耐腐蚀。常作轮胎、传送带、电缆和电线的外壳。–人工合成矿物•刚玉•石英XCHL《测控装置结构设计》课件19•复合材料由两种或两种以上性质不同的金属材料或非金属材料按设计要求进行定向处理或复合而得的材料。–纤维复合材料–层迭复合材料–颗粒复合材料–骨架复合材料–返回本章目录XCHL《测控装置结构设计》课件20T温度（℃）T0t（时间）热处理三阶段：加热保温冷却§1.4钢的热处理•基本概念热处理是改善钢材性能的方法之一，它通过改变钢材内部的晶体组织结构来实现性能提高。下图所示为热处理的一般过程。Tmaxt保温t冷t加XCHL《测控装置结构设计》课件21铁碳合金有一个特点：不同温度下合金的组织结构不同，从相同的温度下以不同的速度冷却，形成的晶体结构亦不同。热处理正是利用这一点，先将钢材加热到特定的临界温度，然后再以不同的速度冷却，从而得到不同性能的钢材。•普通热处理–退火•方法：加热到临界温度，保温一段时间，然后随炉冷却。•作用：使钢材晶体机构细化、匀化，消除残余应力。常作加工的辅助工序。–正火•方法：加热到临界温度，保温一段时间，然后在空气中冷却。•作用：晶体结构更细，硬度强度较退火件好。常作零件加工的最后一道工序。XCHL《测控装置结构设计》课件22–淬火•方法：加热到临界温度，保温一段时间，然后在盐水或油中冷却。•作用：晶体结构很细，钢材的硬度强度很大，但同时韧性和塑性会比较差。冷却过快，内部晶体结构不匀，有残余应力。–回火•方法：将淬火后的零件重加热到临界温度以下的一个温度，保温一段时间使内部晶体结构匀化，然后到空气或油中冷却。•作用：提高材料韧性，常作淬火的后续工序。XCHL《测控装置结构设计》课件23•表面热处理目的：改善表面力学性能，如耐磨性、耐腐蚀性等。–表面淬火•方法：用火焰或电接触方法快速加热表面，然后立即快速冷却。•作用：提高表面硬度，保持内部韧性。–化学热处理•方法：用化学方法向表面渗入碳、氮等其它元素。•作用：根据具体要求改变表面性能。如渗碳和渗氮可以提高表面硬度和耐磨性，渗氮还可提高耐腐蚀性。返回本章目录XCHL《测控装置结构设计》课件24§1.5表面精饰•表面精饰和表面热处理的区别目的不同。表面热处理的目的是改善材料的表面硬度、耐蚀性等力学物理性能。表面精饰则是为了防腐蚀及美化外观。故，表面精饰常用方法是在材料表面添加一层覆盖物，如镀层金属，生成一层氧化膜或涂上油漆等。•三种常见的表面精饰方法–电镀•镀铬:提高耐磨性，增加光洁度•镀镉:提高耐腐蚀性•镀金或银:美化外观–化学处理•氧化•磷化–涂漆返回本章目录XCHL《测控装置结构设计》课件25Fe-Fe3C及Fe-C合金相图描述•热处理的主要工艺过程是加热和冷却。对绝大多数热处理工艺而言，不论在加热和冷却过程中材料化学成分是否发生变化，都是通过改变材料的力学性能或物理、化学性能来改善坯料的加工工艺性能或工件的服役能力。不论最终获得何种组织，加热过程中材料的组织都将向平衡或稳定的状态变化，首先必须熟悉材料的化学成分、温度与其平衡组织间的关系。合金相图全面地表述了这种关系。•铁碳合金（钢和铸铁）碳含量超过它在铁中的溶解度后，在不同条件下将分别以Fe3C(渗碳体)或石墨两种形式存在。过剩的碳以前一种状态存在时，合金组织处于准平衡状态；以后一种状态存在时，合金组织处于平衡状态。Fe-Fe3C合金相图及Fe-C合金相图分别表述铁碳合金的准平衡组织和平衡组织与碳含量和温度的关系。XCHL《测控装置结构设计》课件26Fe-Fe3C及Fe-C合金相图•Fe3C渗碳体γ-Fe奥氏体Α-Fe铁素体XCHL《测控装置结构设计》课件27•请点击下列条目查询相区中标出的符号及各特征点、特征线的含义：•Fe-Fe3C及Fe-C合金相图的特性点Fe-Fe3C及Fe-C合金相图的特性线铁碳合金常用临界温度代号•铁碳合金热处理常用临界温度代号•符号说明•A1发生平衡相变γ←→α+Fe3的温度727℃•A3在平衡条件下亚共析钢γ+α两相平衡的上限温度912℃•Acm在平衡条件下过共析钢γ+Fe3两相平衡的上限温度•Ac1钢加热时开始形成奥氏体的温度•Ar1钢由高温冷却时奥氏体开始分解为Fe3的温度•Ac3亚共析钢加热时铁素体全部消失的最低温度•Ar3亚共析钢由单相奥氏体状态装运时开始发生γ→α转变的温度•Acom过共析钢加热时渗碳体全部消失的最低温度•Arom过共析钢由单相奥氏体状态冷却时开始发生